Slutrapport for projektet: Energibesparende flaskekøler med CO2

Slutrapport for projektet: Energibesparende flaskekøler med CO

-kølemiddel.

September 2006 Teknologisk Institut

Center for Køleteknik og Varmepumper

Per Henrik Pedersen Hans Walløe

Kenneth Madsen

1. FORORD ...3

2. INDLEDNING ...5

3. CO2 SOM KØLEMIDDEL ...6

4. LABORATORIETEST ...13

4.2 Test af gaskølere (1) ... 15

4.3 Supplerende gaskølertest (Modine gaskøler)... 17

4.4 Test af forskellige ekspansions organer... 20

4.5 Forslag til yderligere optimering ... 22

5. TEST AF PROTOTYPER ...23

6. FIELD TEST ...28

7. EVALUERINGER ...32

1.

I foråret 2000 blev flere brancher opfordret af Miljøstyrelsen til at indsende ansøgninger om forprojekter til brancheindsats for at fremme udviklingen af ”renere produkter”. En af disse brancher var FEHA (foreningen af Fabrikanter og importører af Elektriske

HusholdningsArtikler), som blandt andet har de danske producenter af kølemøbler som medlemmer.

I løbet af året 2000 blev dette forprojekt gennemført, og der blev gennemføret analyser af miljøbelastning af kølemøbler igennem deres levetid. Der blev ligeledes peget på

indsatsområder, som kunne mindske miljøbelastningen fra kølemøbler. Ikke overraskende kommer den største miljøbelastning fra energiforbruget igennem kølemøblers levetid, idet elforbruget medfører udledning af bl.a. CO2 fra kraftværkers skorstene. Derfor pegede branchen på et udviklingsprojekt, som kunne resultere i et lavere energiforbrug af

kølemøbler, og projektet ”Reduktion af varmetilførsel til kølemøbler” blev prioriteret som nr. 1 af FEHA. Der blev også peget på andre projekter, bl.a. ”større genvinding fra skrottede kølemøbler ” og ”Fremtidens remote-kølemøbler i supermarkeder”.

Efter aftale mellem Miljøstyrelsen og Energistyrelsen overgik det førstnævnte projekt til Energistyrelsen, hvilket var naturligt, idet der er tale om et rent energiprojekt. De to sidstnævnte projekter fik støtte fra Miljøstyrelsen.

Nærværende projekt fik i begyndelsen af 2002 tilsagn om støtte fra Energistyrelsen og støttes igennem CO₂-midler.

I projektet har deltaget repræsentanter fra:

• FEHA (direktør Ebbe lauritzen)

• Vestfrost (Henrik Løbner Hansen, Bent Christensen, Peter Østergaard, Pia Engberg- Hansen, Jørn Skov, Per Nygaard Hansen, Torben Lauridsen)

• Frigor (Per Nygaard Hansen, Niels From og Erik Barrington)

• Elcold (Gert Prang, Gorm Hald)

• Knudsen Køling (Finn Christensen)

• Teknologisk Institut (Niels From, Lasse Søe, Henning D Smidt, Claus S Poulsen, Søren Gundtoft, Per Henrik Pedersen, Kenneth Madsen, Hans Walløe)

Der har været afholdt 4 workshops i fase 1, og der er udviklet beregningsmodeller,

hjembragt prøver og foretaget laboratorietest af diverse emner og kølemøbler. De vigtigste resultater ligger på en internetside: www.teknologisk.dk/feha I forbindelse med afslutningen af fase 1 er der blevet formuleret konkrete, virksomhedsspecifikke udviklingsprojekter til fase 2 i projektet.

Beskrivelserne for fase 2 i projektet blev godkendt af Energistyrelsen lige før jul, 2003 og projektet afsluttes i efteråret 2006.

Fase 2 er opdelt i 3 virksomhedsspecifikke projekter og et mindre projekt af generel karakter.

De tre virksomhedsspecifikke projekter er med

• Frigor A/S

• Vestfrost A/S

• Knudsen Køling A/S

Projektet af mere generel karakter handler om at forbedre kvaliteten af isoleringsskum.

Flaskekølerprojektet

Denne rapport beskriver resultaterne af det virksomhedsspecifikke projekt med Vestfrost.

Som det fremgår af rapporten går projektet ud på at udvikle og teste miljø- og energivenlige flaskekølere med CO2 og R600a (isobutan) som kølemiddel.

Carlsberg Breweries A/S kom i begyndelsen af 2006 med i projektet. Carlsberg indgår i aktiviteterne med field test af de udviklede flaskekølere.

I projektet har følgende personer medvirket:

Vestfrost:

Bent Christensen Per Nygaard Hansen Torben Lauridsen Carlsberg:

Ann Kjær Sørensen (Carlsberg Breweries A/S) Eskild Andersen (Carlsberg Breweries A/S) Jeppe Ancher Hansen (Carlsberg Danmark) Teknologisk Institut:

Hans Walløe Kenneth Madsen

Per Henrik Pedersen (projektleder).

2. Indledning

Dette projekt drejer sig om at udvikle og teste en ny type energibesparende flaskekøler med CO2 som kølemiddel.

Vestfrost er interesseret i at få udviklet og testet en flaskekøler med CO2 som kølemiddel.

Grunden hertil er bl.a. at the Coca-Cola Company har udmeldt, at man vil satse på dette kølemiddel i fremtidige flaskekølere og automater.

Denne udmelding kommer samtidig med, at der begynder at komme de første hermetiske kompressorer og andre komponenter til dette kølemiddel (fra bl.a. Danfoss).

Der er tale om en ”transkritisk proces”, idet CO₂ har et kritisk punkt på ca. 31 ⁰C. Derfor vil kølesystemet komme til at se lidt anderledes ud sammenlignet med mere traditionelle kølesystemer til HFC- eller HC-kølemidler. Man vil f.eks. have en gaskøler i stedet for en kondensator, og man har generelt højere tryk i anlægget.

Målsætningen i projektet er at udvikle en konkurrencedygtig flaskekøler, som benytter mindre energi end tilsvarende standard-flaskekøler med HFC-134a. Der forventes en energibesparelse på min. 10 %.

Det er ligeledes en målsætning, at den nye flaskekøler skal yde en tilsvarende service som den ”gamle” flaskekøler. Det vil bl.a. sige, at den skal kunne leve op til nedkølingskrav fra en stor sodavands-producent. Ifølge disse krav, skal køleren kunne nedkøle et større antal sodavandsdåser fra 32 ⁰C til 3,3 ⁰C indenfor 19 timer. Alle dåser skal ligge i temperatur- intervallet fra 0,0 – 7,2 ⁰C. Derfor er ”Pull-down-testen” vigtig for test af flaskekølere og fungerer til dels som en ”de-facto”-standard.

I projektet har der været gennemført et studie i transkritiske processer med CO₂-kølemiddel, således at beregninsprogrammer kunne benyttes til at designe den nye flaskekøler. Der blev taget udgangspunkt i et eksisterende kabinet: Vestfrost M200. Da kølesystemet var skitseret, blev der bygget en første prototype, som blev testet i laboratorium og rettet til, således at det kørte optimalt.

Herefter blev bygget en mindre serie, som blev testet i field test sammen med Carlsberg i COOP supermarkeder.

Carlsberg ønskede, at flaskekølere med et kulbrinte-kølemiddel også kom med i projektet, og da både Vestfrost og Teknologisk Institut i et tidligere projekt har udviklet flaskekølere med R600a (isobutan) blev der fremstillet et ental M200-flaskekølere med dette kølemiddel, og disse indgik i projektet.

M200-køleskabet er den nyeste flaskekøler-model, og er ”top-modellen” fra Vestfrost.

Denne har hidtil kun været produceret i en R134a-udgave, men Vestfrost har andre flaskekølere, som også benytter R600a-kølemiddel.

3. CO2 som kølemiddel

Når man benytter CO2-kølemiddel i et kølesystem, har man et system, som er lidt anderledes end man er vandt til med de mere traditionelle kølemidler som R134a, R600a (isobutan) og R290 (propan). For det første er trykket generelt højere for kølesystemer med CO2, og for det andet er det ”kritiske punkt” forholdsvis lavt (ca. +31 ⁰C) for CO2.

Det kritiske punkt er toppen af ”boblen” i et logPh-diagram, eller mere populært: over det kritiske punkt har man ikke en væskefase; - man har kun en tyk gasfase.

Det betyder, at en flaskekøler, som står i en omgivelsestemperatur på ca. +25 ⁰C eller derover i praksis ikke vil have kondensering på højtrykssiden. I stedet for kondensering har man en afkøling af højtryksgassen. Når den afkølede gas ekspanderer igennem en ventil eller et kapillarrør til fordamperen, vil der dannes væske, og derefter sker der en normal

fordampning af flydende CO2-kølemiddel, ligesom det kendes for andre kølemidler.

Figur 1: LogPh-diagrammer for R134a og CO2. LogPh-diagrammer bliver ofte benyttet af køleteknikere for at illustrere køleprocesser. På x-aksen haves enthalpien (et udtryk, som kan

benyttes til at beregne specifikke energiændringer for kølemiddelprocesser) og på y-aksen haves logaritmen af trykket (i dette tilfælde i Bar). Det ses, at trykniveauet for CO2 er væsentlig højere end for R134a. Det ses ligeledes, at CO₂-køleprocessen når op over det

kritiske punkt – derfor kaldes det en transkritisk proces.

Benyttelse af CO2 som kølemiddel har følgende karakteristika:

• CO2 har ingen påvirkning af ozonlaget og har meget lav drivhuseffekt

• CO₂ transformeres til fast form under -56 ⁰C (kulsyresne)

• Kritisk punkt: +31 °C (~ 73.8 Bar)

• Ikke brandbar

• Ikke giftigt< 5000 ppm (vol)

• Tungere end luft

• Må benyttes i områder med offentligt adgang

• Høj tryk i kølesystem

• Høj volumetrisk kølekapacitet

• Lav trykfald i varmevekslere og høje varmeovergangstal

• Høj energieffektivitet (COP) ved lave fordampertemperaturer

Tryk [bar]

Enthalpi [kJ/kg]

V+G

F+G Væske

Gas

Fast Gas

Tripelpunkt (linie)

= -56,6°C/5,18 bar

Kritiske punkt

= 31°C/73,8 bar

Figur 2: Principdiagram med de tre faser (faststof-, væske- og gas-fase). Endvidere er listet nogle andre karakteristika for CO₂.

Figur 3: LogPh-diagram for CO2. Efter Skovrup og Høgaard Knudsen, DTU

Figur 4: Når der benyttes CO₂-kølemiddel er det vigtigt for køleydelse og systemeffektivitet, at man sørger for at køre med et passende tryk på højtrykssiden. Man kan regulere dette tryk

ved en passende systemdimensionering (kapillarrør) eller ved at benytte en ventil, som kan regulere trykket. Denne figur viser den beregnede kølekapacitet (Q_E) og Energieffektivitet

75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

High pressure [bar]

COP and Cooling capacity [kW]

Q_E COP COP LEGEND

Optimum point Optimum point Optimum point

Optimum point T_GC,OUT =40.0 [°C]

T_E = -10.0 [°C]

(COP) for et givet system. Det ses, at i dette tilfælde med ret varme omgivelser vil det være fornuftigt, at sørge for, at trykket er omkring 100 – 110 bar på højtrykssiden.

-kompressor.

Figur 5: Tegning af Danfoss´ CO2 Optimal COP

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

0 10 20 30 40 50 60

Temperatur ud af gaskøleren [C]

COP [-] og køleydelse [kW]

0 20 40 60 80 100 120

Tryk ud af gaskøleren [Bara]

COP Q_køl P_gk

Figur 6: Beregning af optimal COP ud fra den givne kompressor (Danfoss TN 1416, 50 Hz).

Fordampningstemperaturen er sat til -10 ⁰C, intern varmeveksling: 15 %, overhedning Temperaturen ud af gaskøleren er den fri variabel (X-aksen)

1K.

Optimal kapacitet

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

0 10 20 30 40 50 60

Temperatur ud af gaskøleren [C]

COP [-] og køleydelse [kW]

0 20 40 60 80 100 120

Tryk ud af gaskøleren [Bara]

COP Q_køl P_gk

Figur 7: Beregning af optimal kølekapacitet ud fra den givne kompressor.

Fordampningstemperaturen er – 10 ⁰C, intern varmeveksling: 15 %, overhedning i fordamperen er 1 K og temperaturen ud af gaskøleren er fri variabel. Eksempel: Hvis temperaturen ud af gaskøleren er 34 ⁰C er det optimale tryk 96 Bar, kølekapaciteten er 827 W og COP er 1,49.

35°C ud af gaskøler

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Epsilon

P_gk [bar]

Q_e COP

Figur 8: Beregning af effekten af intern varmeveksling ved 35 ⁰C ved udgang fra gaskøler (dvs. transkritisk proces). Den interne varmeveksling er angivet som procentdel af det maksimalt mulige (x-aksen). Det ses, at jo større intern varmeveksling – jo mindre er det optimale tryk. Dette gælder både for optimeret kølekapacitet og optimeret COP.

25°C ud af gaskøler

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Epsilon

P_gk [bar]

Q_e COP

Figur 9: Samme som foregående figur, blot ved 25 ⁰C ud af gaskøler (subkritisk proces).

35 °C ud af gaskøleren

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Epsilon

Qe/COP COP [%]

Q_e [%]

Figur 10: Effekt af intern varmeveksling, Beregningerne viser, at det er en stor fordel med intern varmeveksling, både kølekapaciteten og COP-værdien vokser med graden af intern varmeveksling. Ved 50 % intern varmeveksling har vi kun ca. 75 % af den maksimale kuldeydelse og ca. 88 % af den maksimale COP-værdi, som vi har ved 100 % intern varmeveksling.

25 °C ud af gaskøleren

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Epsilon

Qe/COP COP [%]

Q_e [%]

Figur 11: Samme som foregående figur, blot med 25 ⁰C ud af gaskøleren.

Konklusion af beregninger

Som konklusion på beregningerne kan anføres, at det er en stor fordel med intern varmeveksling, som kan udføres på flere måder. Hvis der benyttes kapillarrør som

drøvleorgan, vil det være oplagt at benytte en traditionel intern varmeveksling ved at lodde kapillarrøret fast på sugeledningen. Hvis der benyttes en ekspansionsventil kan den interne varmeveksling udføres på anden måde, f.eks. ved en modstrømsvarmeveksler af

koncentriske rør.

4. Laboratorietest

Der er foretaget laboratorietest hos både Vestfrost og på Teknologisk Institut. På

Teknologisk Institut er der først og fremmest testet komponenter og hos Vestfrost har man foretaget test af prototyper af flaskekølere. På Teknologisk Institut er der ligeledes testet på en prototype med hensigt på i fremtiden at forbedre gaskøleren, som er en af de mest essentielle komponeneter.

Foto 1: CO₂-testrig til test af plug-in-køleanlæg, herunder flaskekølere. Ved hjælp af testriggen kan man test enkelte komponenter i køleanlægget. I baggrunden kan man skimte

klimakammeret med en af prototyperne fremstillet af Vestfrost.

4.1 Test af fordamper Forsøgsbeskrivelse

Der er udført forsøg med en standard-fordamper og en speciel MPE-fordamper, leveret af Hydro. Forsøget er udført med det transkritiske CO2 testrig. Testriggen er koblet til

fordamperen, der er monteret i skabet af Vestfrost. Der anvendes en konstant-tryks-ventil til styring af højtrykket. Der styres efter 35 °C/87 Bar ud af gaskøleren.

Foto 2: Her ses fordamperen placeret foroven i flaskekøleren. Der er tale om en normal standardfordamper, som også benyttes til R134a-kølemiddel. Bag selve fordamperen sidder

en blæser, og der er ligeledes tale om en standard-blæser. Der er også testet en speciel MPE-fordamper med små rør.

Skabet er placeret i klimakammer med en temperatur på 5 °C. Forsøget startes og skabet køles ned til 5 °C. Derved elimineres varmeindtrængningen fra rummet, da der ikke er en temperaturdifferens. Der tændes for det varmelegeme, der er monteret i skabet (på udblæsningen af fordamperen), og den optagene effekt måles sammen med temperaturen inde i skabet og i rummet. Fordamperens ydelse bestemmes ved ligevægt mellem skabets temperatur og rumtemperaturen.

Databehandling Testdata (målt)

Standard fordamper MPE fordamper

mref [kg/h] 17,5 15,7

P_ford,ind [Bar] 26,4 29,4

Pford,ud [Bar] 25,8 27,6

tskab [°C] 4,03 4,45

tford [°C] -10,1 -6,3

Pel [W] 446 309

Testdata (beregnet)

Standard fordamper MPE fordamper

Qford [W] 690 570

UA₁ [W/m³K] 32,8 28,2

UA2 [W/m³K] 48,9 53,6

DP [Bar] 0,6 1,8

UA₁ er beregnet på baggrund af el-effekten til varmelegeme og ventilator og UA₂ er beregnet på baggrund af køleeffekten efter følgende formel.

ford skab t t UA Q

= −

Formlen udtrykker ikke den "rigtige" UA-værdi, men er godt nok til sammenligning.

Konklusion fordampertest

Umiddelbart yder MPE rørs fordamperen ca. 17% mere end standard-fordamperen. Dette er der dog flere forklaringer på. Massestrømmen (kølemiddel) er mindre gennem MPE-

fordamperen og fordampningstemperaturen er derfor højere. Omregnes ydelserne til en simpel UA værdi giver de to fordampere sammenlignelige resultater. Dvs. at hvis

massestrømmen gennem MPE fordamperen havde været den samme ville ydelsen også have været den samme.

Tryktabet igennem de to fordampere på kølemiddelsiden er forskelligt. Tryktabet er målt på testriggen og omfatter derfor 2x6 m slanger og en del af rør systemet. Tryktabet gennem MPE fordamperen er 1,2 bar større, og det er selvom massestrømmen er mindre. Dette rejser følgende spørgsmål:

Det kan måske tilskrives en skæv fordeling af kølemidlet eller evt. blokerede porte i røret.

Det store tryktab er ikke nogen katastrofe, da 1,2 bar svare til ca. 1,6 K ved -10°C, men kunne det nedbringes ville det give bedre ydelse på systemet.

I det konkrete forsøg er standard-fordamperen lige så god som den specielle MPE- fordamper.

Hermed er konklusionen, at der satses på at benytte standard-fordamper, fordi de er tilgængelige, kendte og konkurrencedygtige i pris.

4.2 Test af gaskølere (1)

De udførte gaskøler-tests er lavet med samme testrig, som fordampererne er testet på. Der er kørt med fordampningstemperatur på -10°C og ca. 90 bar ud af gaskøleren, og skabene med gaskølere monteret er placeret i klimakammer ved 32 °C. Problemet ved denne test har været, at der er tabt en del effekt inden gassen kommer ind til gaskøleren. Dette er sket fordi dele at prøvestanden ikke er isoleret. Dette vurderes dog at være ens for begge typer

gaskølere. Der er udført 4 forskellige tests, 2 test med hver gaskøler. MPE gaskøleren er testet med og uden blok-gaskøleren og stål-gaskøleren er testet med og uden ventilator.

De test der er udført med stål-gaskøleren er ikke blevet analyseret, da det ikke har været muligt at få kredsprocessen til at køre tilfredsstillende (gassen ud af gaskøleren var for varm og processen blev til en ren gas proces).

Databehandling:

Testdata (målt)

Stål-gaskøler med

ventilator

MPE med blæser på blok og ryg

MPE med blæser på blok

mref [kg/h] 13,3 17,7 18,6

Pgk,ind [Bar] 94,4 90,9 94,0

P_gk,ud [Bar] 93,8 90,4 93,3

trum [°C] 32 32 32

t_gk,ind [°C] 78,1 70,4 69,6

tgk,ud [°C] 39,7 39,3 47,25

Testdata (beregnet)

Stål-gaskøler med

ventilator

MPE med blæser på blok og ryg

MPE med blæser på blok

Qgk [W] 550 630 350

Konklusion gaskølertest

I forsøget med stål-gaskøleren er massestrømmen meget lavere end for MPE-gaskøleren.

Årsagen til dette kendes ikke umiddelbart, men det kan være en åben bypasventil.

Tryktabet og ydelsen for MPE-gaskøleren ser fornuftigt ud, men det kan konstateres at det er nødvendigt med ventilator på ryg-gaskøleren.

Ud fra disse vurderinger har Vestfrost valgt at satse på en kombination af en stål-gaskøler (standard-rygkondensator) og en blok-gaskøler (blok-kondensator) i serie med hinanden.

Blok-gaskøleren bliver ventileret med små ventilatorer.

4.3 Supplerende gaskølertest (Modine gaskøler)

En ny aluminiums MPE-gaskøler fra Modine, Wisconsin, USA blev hjembragt i maj 2005, testet med testriggen i juni og monteret på en flaskekøler i juni 2005.

Denne gaskøler viste hurtigt, at der kan opnås gode resultater. De første test med testriggen viste, at der kan opnås ca. en temperaturforskel på 5 K med reduceret luftflow (4 stk 24 V DC-blæsere.). Efterfølgende blev indkøbt en ny ventilator med større luftflow og

hastighedsreguleret (Pabst EBM W1G 200 – HH77-52. Norminel flow 1080 m³/h, ”best point”: 80 Pa/800 m³, maximal effektforbrug 55 W. Listeprisen er ca. 700 kr.)

Med denne ventilator bliver temperaturforskellen ved udgangen af gaskøleren under 1 K ! Herefter blev der fremstillet en ny prototype af en flaskekøler med denne gaskøler. Der benyttedes et almindeligt Vestfrost-kabinet med standard-fordamper og blæser, Danfoss TN1410 CO₂-kompressor, kapillarrør 0,9 mm * 3000 mm, loddet på sugeledning ca. 1,5 m i begyndelsen af kapillarrøret og almindelig styring. Ventilatoren skal dog styres med en styrespænding mellem 0 og 10 V.

Foto 3: Prototype med Modine-gaskøler og Pabst hastighedsreguleret ventilator

Temperatur differens som funktion af luftflow over gaskøleren

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

0 100 200 300 400 500 600

Luftflow [m³/hr]

Temperatur differens [K]

Figur 12: Måling af temperaturdifferens ud af gaskøleren ved forskellige hastigheder af Pabst-ventilatoren. Der er sat styrespændinger på 1,5 V (15 % af max hastighed), 2 V, 3 V, 4

V og 6 V. temperaturen i klimakammeret er 32 ⁰C. Temperaturdifferensen er målt som differensen mellem kølemiddelrøret ved gaskølerens afgang og temperaturen i klimakammeret. Der kan være en lille ”fejl” på lufttemperaturen, idet temperaturen ved gulvet formentlig er lidt mindre end i den højde, hvor klimakammerets temperatur er målt.

Men dette ændrer ikke ved, at gaskøleren er meget god, når der er en luftflow på ca. 250 m³/h eller derover. Det vurderes, at det er muligt, at få en konventionel blæser til formålet.

3,1 5,7 3

2,7 6 2,85

3,45 5,2 4,65

Figur 13: Måling af lufthastighed i 9 felter, som dækker gaskøleren. Målingen er foretaget med gaskøleren (og ventilatoren) monteret på gaskøleren, ved at skabet er lagt på siden og

en håndholdt luft-hastighedsmåler placeres på ”bagsiden” af gaskøleren. Det ses, at hastigheden er størst på midten og lidt mindre udadtil. Der er ligeledes en svar tendens til, at hastigheden er mindre foroven på gaskøleren, sandsynligvis pga. geometrien af kabinettet.

Generelt ser det dog fornuftigt ud. Ventilatoren kører på fuld kraft. Middel lufthastighed:

4,07 m/s => 845 m3/hr.

4.4 Test af forskellige ekspansions organer

Kapilarrør 0,9 x 2000 Danfoss TN 1416 50 Hz

50 55 60 65 70 75 80 85 90

20 25 30 35

t_gk_ud [°C]

P_gk [bar]

P_gk_kap P_gk_opt

Figur 14: Der er foretaget test med kapillarrør 0,9 mm, 2000 mm (uden intern varmeveksling). Det ses, at gaskøler-trykket ligger tæt på det teoretiske optimale i dette

tilfælde.

Saginomya fordampningstemperatur. 5°C

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Temperatur gaskøler afgang [°C]

Tryk gaskøler afgang [Bar abs]

Tryk gaskøler.

Opt.tryk 2 grad

Figur 15: Test med elektronisk ekspansionsventil. Det ses, at det opnåede gaskøler-tryk er meget tæt på det optimale.

Termisk ventil 5°C fordampningstemperatur

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Temperatur gaskøler afgang [°C]

Tryk gaskøler afgang [Bar]

Tryk gaskøler.

Opt.tryk 2 grad

Figur 16: Test med Danfoss termostatisk ekspansionsventil. Det ses, at der opnås næsten optimal regulering af gaskøler-trykket i området 30 – 35 ⁰C ud af gaskøleren. Ventilen kan

justeres manuelt, således den regulerer optimalt i et bestemt område.

Konklusion af test af ekspansionsorganer

Det blev besluttet at satse på brug af kapillarrør som ekspansionsorgan, fordi det er kendt i produktionen, det er konkurrencedygtigt, og det er nemt at have med at gøre, når der skal laves intern varmeveksling mellem sugeledning og ekspansionsorgan.

4.5 Forslag til yderligere optimering

Der blev listet en række ting, som man i fremtiden kan gøre for at optimere systemet endnu mere:

• Brug af sugeakkumulator (skal kunne holde til trykket)

• Endnu bedre udnyttelse af luftflow i gaskøler, evt stille Modine-gaskøler skråt, således at blæseren kaster luften lidt skråt opad, bagud

• Større intern varmeveksling; - evt skille kapillarrør og intern varmeveksling ?

5. Test af prototyper

Test af fremstillede prototyper af flaskekølere fandt sted hos Vestfrost i klimakammer.

Det har i praksis taget lang tid, at teste prototyperne, idet der er tale om helt nyt kølesystem, som man i forvejen ikke har haft så stor erfaring med. Derfor har der været en lang række test, og det har været nødvendigt, at modificere kølesystem og termostatindstilling undervejs.

Herunder gengives de vigtigste resultater af testene for kølere, som er modificeret og som fint lever op til kravene i ”Pull-down-testen”.

M200 CO2, prøveserie 1 - skab

Ventileret blok, statisk ryg, tøvandskål på komp. Cut Out -0,6

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Min Max Avg 0,0 3,3 7,2 17,5h

Figur 17: Pull-down-test af flaskekøler med CO2-kølesystem, prøveserie 1. Man ser, at køleren sagtens lever op til kravene i pull down-testen, idet alle dåser ligger I intervallet fra

0 – 7,2 ⁰C med gennemsnitstemperatur på max. 3,3 ⁰C indenfor19 timer. Kravene blev opfyldt efter 17,5 time. Omgivelsestemperatur er 32 ⁰C.

Figur 18: Energitest af CO2-køler ved 32 ⁰C. Energiforbrug 4,15 kWh/døgn.

Figur 19: Energitest af CO2 -flaskekøler ved forskellige omgivelsestemperaturer. Det set meget tydeligt, at Energiforbruget er meget afhængig af omgivelsestemperaturen, og at der

er et knæk i opadgående retning ved omgivelsestemperatur på ca. 26 – 28 ⁰C.

Figur 20: Pull-down.test af flaskekøler med R600a (isobutan). Det ses, at denne køler ligeledes kan klare pull-down-testen.

Figur 21: Energitest af flaskekøler med R600a ved 32 ⁰C. Energiforbruget er målt til 2,88 kWh/døgn.

Figur 22: Sammenligning af forskellige energitest af flaskekølere med CO2, R600a og R134a. Det ses, at der er en tendens til, at CO2 er lidt mere energieffektiv ved lavere temperaturer (i dette tilfælde 25 ⁰C) og lidt mindre energieffektiv sammenligned med R134a ved højere temperturer (i dette tilfælde ved 32 ⁰C). Figuren medtaget kun et punkt for R600a

(ved 32 ⁰C) og det ses, at flaskekøleren med R600a er det mest energieffektive ved 32 ⁰C.

Figur 23: Målinger på kølesystemet for CO₂-køler ved 32,8 ⁰C i omgivelsestemperatur.

Figur 24: Målinger på kølesystem for CO2-køler med 25 ⁰C i omgivelsestemperatur.

6. Field test

Der blev i samarbejde med Carlsberg Breweries og Carlsberg Danmark gennemført en field test af 18 flaskekølere i COOP-supermarkeder på Sjælland.

Formålet var at teste CO₂-flaskekølere for at få erfaringer med teknologien i praktisk brug, sammenligne resultatet med flaskekølere med traditionel HFC-kølemiddel (R134a) og endelig at identificere eventuelle ”børnesygdomme”.

Fra Carlsbergs side har formålet været, at få erfaringer med flaskekølere med alternativer til HFC-kølemidler. Carlsberg er i en proces med at definere sin fremtidige strategi for

kølemidler, idet HFC-kølemidler er ved at blive udfaset i nye apparater.

Fra Carlsbergs side blev der udtrykt ønske om, at der ud over test af flaskekølere med CO2

og R134a – også indgik flaskekølere med kulbrinte-kølemiddel (R600a – isobutan).

Vestfrost har siden 2000 markedsført flaskekølere med R600a udover standard-modellerne med kølemidlet R134a.

Vestfrosts nye flaskekøler-kabinet (M200) har dog ikke været udviklet til R600a-kølemiddel, og derfor blev der sat et specielt udviklingsarbejde i gang for at klargøre M200 til dette kølemiddel.

Derfor besluttede Vestfrost, Carlsberg og Teknologisk Institut at der i field-testen skulle testes følgende antal apparater:

• 9 flaskekølere med CO2-kølemiddel

• 5 flaskekølere med R134a

• 4 flaskekølere med R600a.

I aftalen med Carlsberg fremgik, at Carlsberg skulle identificere de supermarkeder, hvor testen skulle finde sted og indgå aftaler med supermarkederne, således at flaskekølerne blev opstillet og at Teknologisk Institut fik adgang til at kontrollere opstillingen, starte testen og aflæse instrumenter et antal gange.

Vestfrost fremstillede i slutningen af 2005 og begyndelsen af 2006 de 18 flaskekølere til field-testen.

Teknologisk Institut fremskaffede instrumenter til målinger på apparater, kalibrerede disse og udviklede en testprotokol, som blev diskuteret med Vestfrost og Carlsberg.

Teknologisk Institut skrev ligeledes et informationsblad, som blev udleveret til butiksbestyrere, og som på populær form informerede om testen og formålet hermed.

De 18 flaskekølere blev afsendt fra Vestfrost i begyndelsen af marts 2006. De blev sendt til Carlsberg Danmarks lager, hvor flaskekølerne blev pakket ud, og Teknologisk Institut og Vestfrost monterede instrumenter. Hermed var man klar til testen.

Problemer med opstillingen

Herefter blev flaskekølerne opstillet i de COOP-supermarkeder (som i forvejen var udpeget af Carlsberg) i løbet af Uge 10, 2006.

Der viste sig dog at være nogle opstartsproblemer, bl.a. i forhold til forsinkelser med

udplaceringen i butikker, problemer med et par CO2- kølere og enkelte dør-problemer. Dette blev i nogen grad udbedret i løbet af de næste par måneder, således at de fleste kølere

efterhånden kom med i testen.

På trods af disse problemer lykkedes det i testperioden at få signifikante og brugbare målinger.

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00

Average energy consumption per 24h [kWh]

Refrigerant CO2 Refrigerant R 134a Refrigerant R 600a

Figur 25: Samlet resultat af field-test af flaskekølere. Det ses, at CO₂-køleren forbruger mindre energi sammenligned med flaskekøleren med R134a. Flaskekølerne med R600a

(isobutan) er dog de mest energieffektive og har mindst energiforbrug i hele testen.

Energy consumption as a function of door openings

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

Number of door openings 24h

Energy consumption kWh/24h

Refrigerant CO2 Refrigerant R 134a Refrigerant R 600a Lineær (Refrigerant CO2 )

Lineær (Refrigerant R 600a)

Lineær (Refrigerant R 134a)

Figur 26: Energiforbrugets afhængighed af antallet af døråbninger. Samtlige ”ikke- kasserede” testresultater er medtaget, og der er endvidere indlagt regressionslinier. Som

forventet kan man se en svag stigning i energiforbruget som funktion af antallet af døråbninger.

Energy consumption as a function of ambient temperature

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50

18 20 22 24 26 28 30

Ambient temperature °C

Energy consumption kWh/24h

Refrigerant CO2 Refrigerant R 134a Refrigerant R 600a Lineær (Refrigerant R 134a)

Lineær (Refrigerant R 600a)

Lineær (Refrigerant CO2 )

Figur 27: Energiforbruget som funktion af omgivelsestemperturen. Der ses (som forventet) en stigning i energiforbruget ved stigende omgivelsestemperaturer. Igen er samtlige ikke-

kasserede testresultater medtaget.

Andre erfaringer med field-testen

To af CO2-kølerne gik i stykker i starten af testen. Den ene af kølerne fungerede ikke på grund af en lækage i kølesystemet, hvorefter at den mistede kølemidlet. Denne blev senere repareret hos Vestfrost.

Den anden CO2-køler fungerede ikke på grund af en kompressor-fejl.

Det vurderes, at det er hændelige ”uheld”, som er forårsaget af, at der er tale om ny teknologi, som medfører nye processer i produktionen.

Støjniveauet af de CO2-kølere som indgik i testen var ret højt (ca. 67 dB(A)). Der var ét sted (ud af 6 forskellige placeringer), hvor personalet klagede over dette.

Field-testen foregik i supermarkeder, hvor støjniveauet i forvejen er ret højt, og den førnævnte klage var forbundet med, at flaskekøleren var placeret tæt på kasseapparaterne.

7. Evalueringer

Teknik

Resultaterne af field-testen viser, at flaskekølere med alle tre forskellige kølesystemer virker fortrinligt efter hensigten og kan sørge for kølede drikkevarer.

Før en egentlig serieproduktion af CO2-køleren starter, skal støjniveauet sænkes, og Vestfrost er allerede kommet langt med dette.

Vestfrost arbejder sammen med Danfoss Compressors for at reducere støjniveauet, som hovedsagelig er forårsaget af kompressoren i samklang med resten af kølesystemet og kabinettet.

Der er efter field-testen var startet fremstillet nye CO2-flaskekølere med væsentlig mindre støjemission (61 dB(A)).

Når man sammenligner måleresultaterne for de tre typer af kølere, bør man huske på, at der er tale om en første generation af CO₂-flaskekølere med en første generations af CO₂- kompressor. Det må formodes, at der vil være potentiale for forbedringer i fremtidige generationer af disse flaskekølere. Vi ved, at der vil kunne opnås forbedringer ved at optimere på gaskøleren, og det må formodes, at der kommer mere energieffektive (og billigere) kompressorer i fremtiden.

Der er udtaget en lang række patenter på transkritiske CO2-kølesystemer, og det er usikkert om disse vil holde i praksis og udgøre en barriere for indførelse af CO₂-kølemidler. Dette emne er beskrevet i et notat, som er udført i forbindelse med projektet, og emnet er ligeledes blevet diskuteret på foranledning af Vestfrost og andre virksomheder i forbindelse med en ERFA-gruppe for transkritiske CO₂-køleanlæg, som Teknologisk Institut har taget initiativet til (beskrevet i artikel i ScanRef 5/2005).

Energi

Energiforbruget af de tre typer af flaskekølere har under field-testen været følgende:

Kølemiddeltype R134a CO2 R600a (isobutan)

Gennemsnitlig energiforbrug (kWh/døgn)

2,82 2,49 2,04

Døråbninger (stk/d) 10,51 8,61 10,81

Omgivelsestemp (C) 22,35 22,26 21,25

Kabinet-temp. (C) 6,57 6,37 6,58

Under testen har flaskekølerne med CO2 forbrugt 11,7 % mindre el sammenlignet med flaskekølerne med R134a.

Under field-testen har flaskekølerne med R600a forbrugt 27,7 % mindre el sammenlignedtmed flaskekølere med R134a.

Miljø

I forbindelse med forprojektet i FEHA-projektet (nævnt i forordet) blev der foretaget en miljøvurdering af en flaskekøler fra Vestfrost. I forbindelse med denne vurdering blev der benyttet en lang række data, som er fremskaffet af Vestfrost og i et tidligere projekt, hvor der blev udviklet flaskekølere med R600a-kølemiddel.

Der er tale om en Vestfrost 410-71 flaskekøler med R134a kølemiddel.

-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Drivhuseffekt Forsuring Fotokemisk ozon Næringssaltbelastning Human Toksicitet Øko-toksicitet Persistent toksicitet Volumenaffald Farligt affald Radioaktivt affald Slagge og aske

mPEM

Materialer Produktion Brug Bortskaffelse

Figur 28: Miljøeffekter for en flaskekøler. Miljøvurderingen er foretaget efter UMIP- metoden.

DK el

- 0,50 1,00 1,50 2,00

Drivhuseffekt Forsuring Fotokemisk ozondannelse Næringssaltbelastning Human Toksicitet Øko-toksicitet Persistent toksicitet Volumenaffald Farligt affald Radioaktivt affald Slagge og aske

mPEM

Figur 29: Miljøeffekter for produktion af 10 kWh el i Danmark. Foretaget efter UMIP- metoden.

Af figur 28 og 29 ses, at de største miljøeffekter forekommer i brugsfasen, hvor det er el- forbruget, der forårsager store bidrag til drivhuseffekt, forsuring, økotoksicitet, persistent toksicitet samt affald. En nærmere beskrivelse af gennemførte miljøvurderinger findes i slutrapporten for forprojektet.

Ud fra det tidligere arbejde med miljøvurderinger og øvrige erfaringer for plug-in møbler kan følgende væsentlig problemstillinger trækkes frem:

1. Energiforbrug i brugsfasen er meget afgørende for produktets samlede miljøbelastning med hensyn til bidrag til drivhuseffekten.

2. Kølemidler af HFC typen giver store bidrag til drivhusbelastningen, hvorimod kulbrinter er af næsten ingen betydning. Da der sker en vis lækage i plug-in møblets levetid vil det være af betydning, selvom lækageraten er lille. Betydningen er dog væsentlig mindre end energiforbruget i driftsfasen.

3. Isoleringsmaterialer, der består af polyuretanskum og blæst op med HFC-gasser er miljøbelastende. Selve fremstillingen af komponenterne til polyuretan-skummet indebære miljømæssigt betænkelige forhold. Dertil kommer afgivelse af blæsemiddel under brugen af kølemøblet. Betydningen er dog væsentlig mindre end energiforbruget i driftsfasen.

4. Et plug-in møbel består af en række materialer. Her skal nævnes nogle få eksempler, som PVC, kobber og aluminium.

5. Kasserede plug-in møbler er set i relation til bortskaffelse og genvinding vanskelige at håndtere fordi et kølemøbel består af en række komponenter og materialer. Kølemidlet aftappes som regel og i visse sammenhænge adskilles resten af møblet. Der er dog stadig et stort potentiale for oparbejdning af materialer, således at affaldsmængden minimeres og ressourcerne udnyttes mere optimalt.

Man kan konkludere, at der sker en reduktion af miljøeffekterne ved at benytte de nye kølere med CO2 eller R600a (isobutan) i forhold til R134a. Der sker en reduktion af energiforbruget på hhv. 11,7 % og 27,7 % ved at benytte de nye kølere med hhv. CO2 og R600a.

Det sikres samtidig, at der ikke sker en emission af HFC-stoffer, som er kraftige drivhusgasser. Derved sker der en reduktion på de største miljøeffekter.

Dermed vil begge de testede alternativer til flaskekølere med HFC-kølemidler medføre formindskede miljøbelastninger.

Flaskekølere med isobutan er i dag fuldt ud kommercielt tilgængelig, og udgør allerede i dag et alternativ til HFC-baserede flaskekølere. Field-testen viser, at energiforbruget for

isobutan-flaskekøleren vil falde med ca. 28 % i forhold til tilsvarende flaskekøler med R134a. Miljøbelastningen vil falde tilsvarende.

Flaskekølere med CO2-kølemiddel er endnu på udviklingsstadiet. Den testede 1.-

generations-flaskekøler reducerer energiforbruget med ca. 12 % i forhold til flaskekøler med R134a-kølemiddel. Miljøbelastningen falder tilsvarende. Anden generations-flaskekølere med CO2 vil formentlig reducere energiforbruget yderligere.

Økonomi

Flaskekølere med R134a og R600a formodes at koste det samme i indkøb og service. De fleste serviceteknikere har udstyr til service med R600a, idet dette kølemiddel er standard for husholdningskølemøbler.

Flaskekølere med CO2 er dyrere, idet der endnu ikke er masseproduktion af alle

komponenter. Når dette sker, vil prisen falde, og forudsat, at der sker en masseproduktion af komponenter i samme grad, som det sker til HFC-flaskekølere i dag, så forventes det at prisen vil falde ned i nærheden af niveauet for de andre flaskekølere. Indtil dette sker, må man forvente, at de CO2-baserede flaskekølere er lidt dyrere sammenlignet med andre flaskekølere.